基于MF6, EMM2010和CGRF2010模型的中国大陆地壳磁异常特征

利用地磁场全球模型MF6, EMM2010和基于地面观测数据建立的2010.0中国地磁参考场(CGRF2010)等3个模型分别计算了中国大陆地区岩石圈磁场, 发现3个模型各有其特点: 基于卫星数据建立的MF6模型分辨率有限, 其磁异常条带呈蠕虫状; EMM2010模型岩石圈磁场概貌与MF6模型相似但细节特征十分突出; CGRF2010模型可信度较高, 其分辨率东西部差异较大, 异常形态以团状为主． 通过分析3个模型得到的中国大陆地区岩石圈磁场垂直分量ΔZ的强度及其分布特征发现: ΔZ分量在准噶尔盆地、 塔里木盆地、 柴达木盆地及四川盆地等地区均为正值, 而在天山、 大巴山等地区为负值; ΔZ分量分布在华北岩石圈地块与华南岩石圈地块吻合程度较高; 在青藏高原南部、 西域岩石圈地块北部以及松辽岩石圈地块, 全球模型与CGRF2010模型存在显著差别．      

基于CHAMP卫星与地面矢量数据联合建立中国地磁模型

首先对地面台站以及CHAMP卫星的矢量磁测数据进行预处理,结合12个子午工程台站最新的磁测数据,并利用第十二代国际地磁参考场模型(IGRF12)对不同数据归算至统一时间点,再结合第四代地磁场综合模型(CM4)计算并移除主磁场、磁层磁场、电离层磁场、感应磁场及较为微弱的环形场,最后通过球冠谐(SCH)模型联合建立了中国地区岩石圈磁场(地磁要素X、Y、Z和总强度F)的球冠谐模型(SCH2000),结合IGRF12得到了中国地磁模型(CGRF2000).建模同时考虑了测点数据海拔高度的影响,并讨论了截断阶数的选取以及边界效应的控制问题.通过比较均方偏差(RMS),认为8阶SCH2000模型可较好地反映中国地区岩石圈磁场,其分布与SCH1936、CM4以及Taylor多项式模型具有一定的相似性.从位置和强度来看,SCH2000模型所反映的岩石圈磁场更为准确,而与CM4存在一定差异,除了测点不同,截断阶数也是原因之一.通过验证,SCH2000模型各要素随高度的变化与CM4模型较为一致,所建立的CGRF2000与IGRF12模型的分布也较为相似.     

区域地磁场谐和样条模型研究

地震过程是岩石圈能量积累、聚集和释放的过程。伴随此过程,岩石圈磁场会出现异常变化。近年来,我国的地震预报研究实践证明,岩石圈磁场异常变化与地震发生地点有很好的对应关系,并取得了良好效果。准确提取地震引起的岩石圈磁场变化的主要途径是建立高分辨率的岩石圈磁场模型。由于针对地震预报的观测都是区域性的,因此,模型计算方法应同时具备3个方面的优点:一是适合区域分析;二是能准确剔除或剥离地磁主磁场;三是能精细刻画岩石圈磁场细微变化。可能的话,模型还应能采用卫星数据与地面数据联合运算,以弥补我国西部无人区地面观测数据稀疏的不足及控制边界畸变,即模型应能径向延拓。但在实际工作中,许多模型很难三者兼顾,更别说兼具径向延拓。该论文从模型比较开始,精心选择模型,经过模型设计和程序实现、模型调优和模型验证等,初步获得了能四者兼顾的中国地区区域地磁场"谐和样条"模型及其计算方法。论文最后将中国地区区域地磁场"谐和样条"模型与其他模型进行了对比分析,发现该模型初步达到了设计目标。(1)模型选择:论文调研和对比分析了球谐分析、矩谐分析、球冠谐模型、修正球冠模型、等效源、多项式拟合、样条函数拟合、双调和拟合、谐和样条拟合。论文分析认为,调和样条拟合具备前述的4个方面优点。(2)模型设计和程序实现:论文完成了对"谐和样条"方法的数学公式推导、代数公式构建以及matlab程序编写等工作。(3)模型调优:论文完成了"谐和样条"模型定解过程中的"本征值截断"以及球谐阶数问题分析讨论,发现"谐和样条"方法定解线性方程组本征值可能对应"谐和样条"模型所描述场分布的空间特征尺度。因此,通过本征值截断阶数的选择,能够实现对不同空间特征尺度磁场成分的剥离。(4)模型验证:论文基于大量的计算实验,选择了球谐截断阶数L=90阶,并分别利用地面测量数据以及卫星数据的组合分别定解,计算对比分析了"中国及周边区域谐和样条模型"。结果表明:与球谐方法相比,"谐和样条"模型具有更高的"效率",引入卫星数据确能改善计算结果。此外,当"谐和样条"方法用于全球模型和区域模型计算时,发现球谐截断阶数的确定是影响模型计算正确性的关键因素之一。(5)与其他模型对比分析:论文分别以1~15阶EMM2010模型和"2010.0中国及周边区域谐和样条模型"20阶本征值模型作为中国区域地磁正常场,从90阶"2010.0中国及周边区域谐和样条模型"中分别剔除两种算法得到的中国区域地磁正常场,获得2个中国区域地磁异常场模型,对比分析了其差异性和优劣性,论文最后采用"2010.0中国及周边区域谐和样条模型"地磁异常场、EMM2010模型、MF6模型和CGRF模型的岩石圈磁场Z分量,与中国区域地质构造进行了联合对比分析,达到了论文初期目标。     

墨西哥及邻近地区地壳磁异常场研究

基于墨西哥国内49个地磁测点的3分量数据,利用全球模型CM4,区域模型Taylor多项式及曲面Spline 模型计算并分析了地壳磁异常场,并在境外均匀选取了16个CM4模型的地壳场值作为补充点以控制边界效应.为了进一步比较验证,还选用了最新的EMM2010模型.结果显示将实测值减去CM4地核场的差值所得到的磁异常分布与直接基于测点的CM4磁异常分布在分布形态和强度都有较大的差别,而与基于实测值的Spline网格值减去CM4地核场网格值后非常类似.总强度F在境内以负值居多,强度随纬度的升高其强度由大变小再变大;水平分量H在境内以正值居多,强度随纬度的升高而强度变大;磁偏角D分量除了西北部分区域外,其它区域都为正值,强度随经度的升高而变大.基于现代高精度的CM4及EMM2010模型绘制了墨西哥地区的磁异常网格值进行比较,两者间存在的差异主要由截断阶数与所使用卫星数据的不同所致.通过实测值结合Taylor多项式和曲面Spline两种区域模型研究磁异常,认为若进行地磁场异常的理论研究,可采用现有的高精度全球模型绘制的磁异常图,若进行实际的工程应用,可从实际的测点出发,结合常用的区域模型进行应用,曲面Spline模型较适于模拟区域地区的地壳磁异常.     

川滇地区岩石圈磁场及其与强震关系研究

利用《2010中国地磁参考场模型》,计算川滇地区岩石圈磁场ΔX分量、ΔY分量及ΔZ分量,绘制岩石圈磁场图。将1970年以来川滇地区8次7级以上强震震中投影到岩石圈磁场图上,分析强震震中附近岩石圈磁场宏观分布特征。并对8次强震的震中岩石圈磁场强度进行了统计分析。结果表明,川滇地区块体分界与岩石圈磁场分布有着良好的对应关系,正负异常区的分界线大多沿断裂带分布;强震震中多位于岩石圈磁场负值区,大多沿正负异常区的分界线分布。     

中国及邻区卫星岩石圈磁场与近10年地震活动性

利用NGDC—720全球卫星岩石圈磁场模型给出的球谐系数,计算得到中国及邻区的岩石圈磁场分布;并与该地区活动块体及近10年(2003—2012年)M_S5.0以上地震活动性进行对比,发现岩石圈磁场同活动块体分布及地震活动性存在较为密切的对应关系。该相关性有望在未来地震研究和监测中发挥作用。     

中国及邻区卫星岩石圈磁场与近10年地震活动性

利用NGDC-720全球卫星岩石圈磁场模型给出的球谐系数,计算得到中国及邻区的岩石圈磁场分布;并与该地区活动块体及近10年（2003-2012年）MS 5．0以上地震活动性进行对比,发现岩石圈磁场同活动块体分布及地震活动性存在较为密切的对应关系。该相关性有望在未来地震研究和监测中发挥作用。     

中国大陆及邻区岩石圈三维流变结构

依据地震波速得到的上地幔温度和气象台站记录的地表温度为约束,结合地表热流和热导率观测数据,利用有限元方法计算了中国大陆及邻区岩石圈三维热结构.基于此温度结果和GPS观测得到的应变率数据,以滑动摩擦、脆性破裂和蠕变三种强度机制为约束,计算得到了中国大陆及邻区岩石圈三维流变结构.结果显示:弱强度和低等效黏滞性系数的下地壳在中国大陆及邻区普遍存在,并且下地壳的流变强度和等效黏滞性系数比上地壳和岩石圈地幔一般要低1~2个数量级;中国大陆范围内青藏高原存在着厚度最大、强度最低的下地壳;青藏高原的岩石圈强度和等效黏滞性系数比华北、华南和印度板块的都要低;岩石圈流变结构的横向分布特征与重力梯度带和地形过渡带比较一致.     

东大别构造带地震地磁监测试验区岩石圈磁场特征分析

本文利用东大别构造带地震地磁监测试验区的地磁三分量观测数据,建立了试验区的岩石圈磁场模型,并将其与2005.0年代该区域的岩石圈磁场进行对比分析,研究试验区岩石圈磁场的时空变化特征.结果显示试验区内岩石圈磁场的分布从河南商城、安徽金寨、霍山至六安之间围绕梅山-龙河口、青山-晓天等断裂存在异常变化.     

CHAMP卫星时代全球岩石圈磁场模型的近似误差估计

岩石圈磁场模型的误差估计是地磁导航、定量地球物理与地质解释的重要基础.本文基于统计学观点,将由CHAMP卫星磁测数据构建的系列具有代表性的全球岩石圈磁场模型视为随机观测信号,对其在球谐域与空间域分别进行平均值与标准差的统计分析,得到CHAMP卫星时代全球岩石圈磁场模型的球谐域与空间域近似误差水平、误差分布特征、不同类型磁场分量之间的误差比例关系以及全球岩石圈磁场能量与误差水平随高度的衰减特征.本文所提的误差估计方法与结果,尽管存在一定的近似,但是可以为估计与了解岩石圈磁场模型在球谐域与空间域的误差水平与分布特征提供参考资料与定量依据.     

地磁场的三维巡测和综合建模

在1967~1971年期间,美国POGO系列卫星进行了地磁场总强度测量,接着,1979~1980年MAGSAT地磁卫星进行了真正意义上的三分量测量.自此之后,卫星磁测沉静了20年.近年来,这一领域又重新进入高潮,其标志是1999年2月丹麦发射Orsted磁测卫星,2000年7月德国发射CHAMP磁测卫星,2000年11月阿根廷/美国合作发射SAC-C卫星.这一时期的磁测卫星还有南非和澳大利亚的卫星,而欧空局计划在2009年发射三颗磁测卫星Swarm,,中国的地磁卫星也在积极筹备之中.在这20多年的"沉静"中,各国地磁学家潜心研究的结果把POGO-MAGSAT和Orsted-Champ-SAC两代磁测卫星和地面磁测连接在一起,催生了新型地磁场模型和地磁图———"地磁场综合模型"(comprehensive model of geomagnetic field,简称CM).如果说过去的地磁场模型只是对主磁场的形态描述,那么,新一代模型不仅包括地核主磁场模型,而且包括岩石圈磁场模型、电离层磁场模型、磁层磁场模型、内部感应磁场模型以及空间环型磁场模型,力求在更广的范围内,以更深入的物理内涵和更高的精度表述地球磁场的全貌.本文在评述CM模型的基础上,提出下一代地磁模型的设想,讨论地球磁场三维巡测和综合建模的未来发展趋势和关键问题.     

用面波方法研究上扬子克拉通壳幔速度结构

本文研究采用单台法和双台法提取了穿越上扬子的基阶面波相速度和群速度频散;通过对提取的面波群速度和相速度频散进行联合反演,得到的1-D SV速度模型显示上扬子块体下地壳S波速度与典型克拉通区域相当,其上地幔顶部80~170 km深处存在高速的岩石圈盖层,较AK135模型要快2%~3%,其岩石圈厚度约为180 km.在上扬子地区,径向各向异性集中分布在300 km以浅的岩石圈与软流圈部分,其中岩石圈部分SH波比SV波波速要快2%~4%,软流圈部分SH波比SV波波速要快3%~5%;Rayleigh波相速度方位各向异性分析结果显示,上扬子块体周期为25~45 s（大致相当于30~70 km深度范围内）的Rayleigh波相速度存在1.8%~2.7%不等的方位各向异性,其快波方向介于147°~174°.我们认为上扬子块体径向各向异性集中分布在岩石圈、软流圈部分,且各向异性随深度变化, 其岩石圈部分各向异性为大陆克拉通化的遗迹,软流圈部分各向异性与现今板块运动相关.     

上通流对大陆岩石圈地幔-地壳热结构模式的潜在影响

本文以多孔介质中大尺度传热问题为基础,结合热平衡理论分析与数值计算,探讨了上通流对大陆岩石圈地幔-地壳热结构模式的潜在影响.根据大陆岩石圈中孔隙波传热概念模型的初步理论分析结果,指出了采用理论分析和数值模拟相结合的方法在研究大陆岩石圈地幔-地壳热结构模式时的重要性.理论分析方法可用来确定岩石圈尺度范围内大陆岩石圈的厚度和大陆地壳相关的边界条件,从而为地壳范围内数值模型的建立提供一些重要信息.数值模拟方法可以用来模拟地壳尺度范围内地壳的详细结构和复杂几何形状.如果地壳内的热分布是所考虑的主要因素,采用具有地壳尺度的合理数值模型可以有效减少计算机工作量.利用理论分析方法求出的岩石圈尺度范围内大陆岩石圈厚度与地幔传导热流之间关系的理论解,不仅可以用来验证模拟大陆岩石圈内传热问题所采用的数值方法, 而且可以用来初步研究大陆岩石圈内热分布的基本规律,为研究岩石圈地幔热事件中大陆岩石圈热减薄过程提供相应的边界条件.本文从理论分析的观点初步探讨了中国大陆不同构造背景下大陆岩石圈的热结构模式,其结果与从地球物理和地质资料中获得的大陆岩石圈热结构模式十分吻合.研究结果表明由大陆岩石圈中孔隙波传播所导致的上通流是影响大陆岩石圈地幔-地壳热结构模式及大陆岩石圈地幔与地壳之间物质和能量交换的可能机制之一.     

大陆岩石圈流变结构研究进展及存在问题

自20世纪60年代以来,大陆岩石圈流变学取得了较大的进展,理论和应用研究不断深入.理论上,人们不仅认识到在构造运动中岩石圈介质是流变体而非简单的刚体性和弹性体;并利用矿物和岩石的实验结果提出了岩石圈流变分层的概念,建立了一维流变模型;进而用流变的观点解释了一些具体构造现象,而且开始了三维流变结构的研究,提出了岩石圈流变结构的横向分块纵向分层的观点.应用上,人们已从把流变强度曲线简单地运用于运动学或动力学模型的阶段,进入了在三维空间中定量研究地球动力学问题的阶段.随着岩石圈流变学研究的深入及大陆岩石圈的复杂性,新的问题也不断涌现.     

卫星重力梯度恢复地球重力场的频谱分析

根据仪器功率谱密度和重力位系数阶方差的定义,本文建立了卫星重力梯度测量噪声功率谱密度与重力场模型的误差阶方差的直接对应关系,并基于此讨论了重力梯度测量精度、卫星轨道高度以及运行时间对地球重力场恢复精度的影响.相比于传统的基于最小二乘法评估卫星载荷噪声对地球重力场恢复精度的影响而言,本文提出的方法简单、直接,有助于快速设计和确定卫星重力测量计划的有关参数.     

基于航空磁测数据和全球模型的适用于中国地区的岩石圈磁场模型初步研究

基于最新的全球模型LCS-1的近地面模拟值,结合中国地区1970—2011年测量的航磁数据,通过三维曲面Spline(3DSS）模型建立了适用于中国地区的全球三维岩石圈磁场模型,重点考察中国地区的岩石圈磁场分布及几个磁异常极值点随高度的变化情况,并将所得结果与LCS-1进行分布特征的比验分析．结果显示两种模型的磁场分布基本一致,尤其是俄罗斯的库尔斯克磁异常和中非的Bangui磁异常等区域,但在局部地区存在差异,在高空0.5 km处能明显地展示中国地区的岩石圈磁场分布情况,并在1 km处展示处更多的分布细节．模型最大的特点是可以反映研究区域的大、中、小尺度的岩石圈磁场分布,几个显著的正负极值点随着高度而出现近似线性下降和上升的趋势．3DSS模型不仅能够兼顾全球磁场的大尺度变化,还能突出显示研究区域磁异常的复杂分布形态．     

中国中西部重力场谱分析

本文对中国中西部地区的12°×12°局部重力场进行了全面细致的谱分析.内容包括功率谱和协方差分析、阶方差模型拟合及累积阶方差根谱参数分析,其中累积阶方差根谱参数是本文首次建立的一项新的分析内容.经过谱分析,了解到许多关于中西部重力场的性质,例如该区域重力场的协方差、总能量、能量在各个频段的分布以及非各向同性情况等.     

塔里木盆地中、新生代“热”岩石圈厚度演化

本文以浅部沉积盆地热历史为基础,结合地热学的相关理论计算了塔里木盆地主要地质时期的"热"岩石圈厚度.研究表明,塔里木盆地中、新生代岩石圈厚度演化具有中生代-古近纪早期的缓慢增厚和古近纪至今的快速增厚的特征,即中生代早期"热"岩石圈厚度为57~62km,平均为59km,逐渐增加至中生代末期的76~84km,平均为79km;古近纪受印度板块与欧亚板块碰撞及其随后持续的汇聚作用,岩石圈厚度快速增厚,增加至现今的104~159km,平均为134km.本文的研究成果初步揭示出塔里木盆地中、新生代岩石圈演化的过程及阶段,弥补了塔里木盆地在这一方面的研究空白,具有重要的科学意义.     

Spectral analysis for recovering the Earth's gravity potential by satellite gravity gradients

根据仪器功率谱密度和重力位系数阶方差的定义,本文建立了卫星重力梯度测量噪声功率谱密度与重力场模型的误差阶方差的直接对应关系,并基于此讨论了重力梯度测量精度、卫星轨道高度以及运行时间对地球重力场恢复精度的影响.相比于传统的基于最小二乘法评估卫星载荷噪声对地球重力场恢复精度的影响而言,本文提出的方法简单、直接,有助于快速设计和确定卫星重力测量计划的有关参数.     

河北及邻区震前岩石圈磁场异常变化分析

利用河北及邻区2018、2019和2020年3期流动地磁矢量资料,经数据处理获得了“2018—2019”和“2019—2020”2期岩石圈磁场年变化模型。并结合2019年12月唐山丰南4.5级地震和2020年7月唐山古冶5.1级地震震中分布,对震中区域岩石圈磁场变化空间分布及时间演化特征进行了系统分析。研究结果显示：2期岩石圈磁场年变化空间分布并无一致性或继承性特征,相对于“2018—2019”岩石圈磁场,“2019—2020”岩石圈磁场各要素的年变化量呈现减小的趋势。2019年12月唐山丰南4.5级地震和2020年7月唐山古冶5.1级地震前,震中附近岩石圈磁场呈现明显异常变化。具体表现为：震中附近岩石圈磁场水平矢量均存在局部弱化和转向的现象;震中处有磁偏角“0”值线和高梯级带通过。这可能是两次地震的前兆异常。